Franz Reuleaux

Begenadigd uomo kineticus

De (theoretische) kinematica

In 1875 voltooide Reuleaux zijn "Theoretische Kinematik: Grundzüge einer Theorie des Machinenwesens". Het werd met veel lof ontvangen en in het Frans, Italiaans en Engels vertaald. Zijn aanpak was typisch Duits: inzichtelijk, diepgravend, theoretisch geaard, grondig gedocumenteerd en gebaseerd op grote feitenkennis.

Tot die tijd was machine- en werktuigbouw vooral een praktisch vak, met veel empirisch verkregen kennis. Experimenteren en waarnemen, doorgronden en construeren was de gebruikelijke aanpak. Een constructeur kende een macht aan (her) bruikbare componenten en die kennis gebruikte hij bij het ontwerp van nieuwe constructies. Extrapoleren buiten de eigen ervaring was griezelig.

Deze aanpak was bepaald niet vernieuwend. De ontwerper voorkwam (vermeed) onaangename ervaringen (voor zover mogelijk) - maar kwam zodoende niet tot spontane heuglijke ontdekkingen. Voor serendipiteit was geen plaats. Veel te riskant.

Reuleaux wilde de machine- en werktuigbouw een ferme en strikte theoretische grondslag geven. Dat vergde in zijn ogen een vergaande systematische analyse en indeling van alles wat aan kennis over constructies en mechanismen bekend was. Hij ging daarbij ver terug in de tijd. Italiaanse Renaissance genie-ingenieurs; achttiende eeuwse wetenschappers; uitvinders uit alle tijden en streken - allemaal hadden ze zich bezig gehouden met mechanismen. Al die losse draden verzamelde Reuleaux, met de bedoeling er een groot en alles omvattend tapijt van te knopen. Deze aanpak leidde tot een fraai classificatiesysteem van machines en onderdelen van machines (mechanismen).

Om een machine te ontleden in zijn (essentiele) functionele delen, kijk je het best naar de bewegingen die in de machine voorkomen. Op DEZE pagina vertel ik een en ander over hoe je bewegingen kunt vastleggen, en over mechanismen die bewegingen begrenzen. In Reuleaux tijd was dit onderwerp al van groot belang. De Industriele Revolutie was volop aan de gang. De nieuwe krachtbronnen - stoommachines en verbrandingsmotoren - leverden energie in rechtlijnige bewegingen (zuigerslagen), terwijl de meeste produktieprocessen werkten met roterende beweging. Transformatie van reciprook naar roterend vice versa was nodig. Dat bleek een vruchtbaar studieterrein. Ik laat daar op DEZE pagina en DEZE pagina wat van zien.

Veel machines werken met mooie gelijkmatige, harmonische bewegingen. De typische sinus-beweging, rustig en beheerst. Andere machines worden juist gekarakteriseerd door brute, plotselinge en hevige veranderingen in de beweging. Die gaan gepaard aan grote versnellingen, en die geven in combinatie met massa altijd grote krachten. Dergelijke machines en dan vooral hun genererende principes, vormden een tweede, minstens even interessant studiegebied.

Reuleaux bouwde een doorwrocht classificatie-systeem op, dat een honderd jaar later nog steeds in gebruik was - en dat ook nu nog prima voldoet. Dit systeem gaf hem de mogelijkheid om machines op symbolische wijze te beschrijven als een serie/parallel schakeling van afzonderlijke bewegingen. In moderne vorm vind je dat tegenwoordig in digitale schakelschema's en logische stuursystemen terug. Voor zijn indeling gebruikte Reuleaux zes basisklassen: schroef, kruk, tand, katrol, nok en grendel.

Maar er is meer. Reuleaux ontwikkelde het concept van de "gepaarde mechanismen". Uit een gegeven mechanisme kon je door "inverteren" een, zeg maar, omgekeerd mechanisme afleiden. Dat heeft dan een andere set van eigenschappen. Wie weet kan je daar iets interessants mee doen? In de praktijk bleek dat de oud-vertrouwde mechanismen, in vergelijking met dergelijke nieuwe inversies, vaak rustiger en soepeler gedrag vertoonden. Eigenlijk is dat ook wel te verwachten. De meeste "vertrouwde" mechanismen zijn honderden jaren oud. Ze bestaan nog steeds, omdat ze prima voldeden. Ze waren een "gouden greep", zogezegd. Andere (alternatieve) vormen, meestal heftiger, voldeden in de praktijk minder - en verdwenen dus. Dat is ook precies wat Reuleaux ondervond. Hij hoopte door inversie spannende, interessante, goed functionerende (dus bruikbare) nieuwe mechanismen te scheppen - maar daar kwam uiteindelijk niets van terecht.

Op meerdere plaatsen op deze website beschrijf ik dit soort inversie-paren. Steeds blijkt daarbij dat inverteren theoretisch goed is (het vergroot je kennis en inzicht) maar praktisch vrijwel onbruikbaar ....

Reuleaux theorieën bleven de kinematica vele tientallen jaren domineren. Totdat geleidelijk het besef doorbrak dat naast het beschrijven en bestuderen van de bewegingen - uitsluitend in positie en stand - in veel gevallen ook snelheden en versnellingen een doorslaggevende rol spelen. Hoe (gemiddeld) sneller iets beweegt, hoe belangrijker juist massakrachten worden. Zo vond naast de kinematica de dynamica zijn gerechtvaardigde plaats in het machine-ontwerpen.